CN110492950B - 面向链路间干扰抑制的时间反转水声网络多址接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种面向链路间干扰抑制的时间反转水声网络多址接入方法，采取适用于分布式水声网络MAC层，节点间数据传输过程中的多址接入，避免了传输冲突，大大提高了一次传输成功的概率和信道利用率，降低了组网能耗；通过主动TR空时聚焦性，利用水声信道的空变特性，将劣势转化为优势，削弱水声信道的广播特性，起到了有效隔离分布式多跳环境下相邻链路间信号干扰的关键作用；功率控制方法不仅节约了发射功率，而且大大减少了冲突发生的概率。

Description

面向链路间干扰抑制的时间反转水声网络多址接入方法

技术领域

本发明涉及水下通信组网领域，涉及时间反转理论，功率控制方法，多址接入控制技术等，尤其是一种水声网络多址接入方法。

背景技术

海洋占地球表面约71％，资源十分丰富，随着陆地资源的匮乏，人类进军海洋的步伐不断加快。水声网络(UAN,Underwater Acoustic Networks)通过建立水下网络对海洋环境进行监测，大大增强水下空间信息感知能力，对实现海洋权益维护、水下目标搜索、海洋资源开发、海洋环境监测和保护等有着重要意义。为了获得更大的水下空间信息感知范围与更强的感知能力，水声网络一般以分布式多跳的形式出现。因此，分布式多跳水声网络是本发明的研究对象，区别于包括诸如多用户通信系统在内的集中式单跳水声网络。

水声信道不仅传播时延大、信息速率低(很难超过100kbps)，而且由于受到海洋恶劣多径传播的影响，信道冲激响应严重依赖收发节点的空间位置，即水声信道是空变的，恶劣海洋环境造成水声信道复杂的空变特性，使得海洋水声信道成为最恶劣的无线信道之一。而且水声网络中节点成本高布放花费较大且一旦布好不易更换特别是在深海中。为此，针对水声信道特性和能耗受限开展包括网络多址接入、路由协议、差错控制在内的网络各层组网方法的研究，已成为近年来水声学与信息领域的研究热点。

多址接入控制(MAC，Medium Access Control)协议负责协调网络中所有节点高效、公平的接入信道，旨在避免不同节点接入共享信道时产生的传输冲突。若没有高效MAC机制的支持，网络中各节点在交互信息的过程中相邻链路之间产生的数据包传输碰撞会造成非常低下的信道利用率和电池能量利用率，严重恶化网络性能。在带宽与能量资源均非常宝贵的水声网络中，设计适用于水声网络的低能耗高效MAC协议，对于提高信道利用率和延长网络服役期(网络寿命)具有至关重要的作用与意义。

时间反转(TR，Time Reversal)处理技术基于传输互易性与时反不变性原理，能够利用复杂多径信道的空变特性实现接收的多径信号在时间上的压缩和空间上的聚焦。水声环境下TR能够利用海洋自身完成对信道冲激响应的空时匹配滤波。因此，TR处理实现了复杂多径信号自适应地在接收位置处的空时聚焦。主动TR利用复杂水声多径传播造成的网络中不同链路间信道响应的空间弱相关性，获得信号在接收位置的空时聚焦，发挥了有效隔离分布式多跳环境下相邻链路间信号干扰的关键作用。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种面向链路间干扰抑制的时间反转水声网络多址接入方法(E-TRMAC)，针对带宽与能量双受限的分布式多跳水声网络中，链路间干扰严重带来的数据包传输碰撞，导致信道利用率低、时延长与能耗大的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案的详细步骤如下：

步骤1：在一个链路时变周期T内，节点A给节点B发送数据，节点A判断自身是否已经收到来自节点B的探针包(Probe)：

i)如果节点A在链路时变周期T内收到了来自节点B的Probe包，继续判断Probe包的T_lifeB是否小于T_cl，如果T_lifeB＜T_cl，等待T_cl-T_lifeB时间之后执行步骤3；如果T_lifeB≥T_cl，直接进入步骤3；其中，T_lifeB为节点A收到来自节点B的Probe包的时刻与当前时刻的时间差，T_cl为干扰时间，T_cl＝2t_p+t_tr，t_p为数据包传播时间，t_p＝d_m/c，d_m为节点间最大距离，c为水声传播的速度；t_tr为数据包传输时延t_tr＝L/R，L为传输帧的长度，R为数据包传输速率；

ii)如果节点A在链路时变周期T内没有收到来自节点B的Probe包，则进入步骤2；

步骤2：节点A向节点B发送探针请求包(ProbeR)，然后进入等待状态；

i)如果在T_th时间内节点A收到来自节点B的Probe包，利用所接收到的Probe包对节点A到节点B的真实信道进行估计，得到信道冲激响应h_AB(t)；执行步骤3；其中，T_th为重传等待时间，T_th＝2t_p+t_tr+Δ，Δ为保护时间；

ii)如果在T_th时间内节点A未收到来自节点B的Probe包，节点A重新向节点B发送ProbeR包，直到节点A重新向节点B发送ProbeR包的次数超过ProbeR包最大重传次数N_max，则等待链路时变周期T后进入步骤3；

步骤3：节点A首先将需要发送的信息序列s(t)与时间反转后的g_AB(t)进行卷积，则时间反转处理后的数据包(TR-DATA)为

然后进行判断；

i)如果在T_cl内节点A未收到非目标接收节点D发送的Probe包，则进入步骤4；

ii)如果在T_cl内节点A收到非目标接收节点D发送的Probe包，则进入步骤5；

步骤4：节点A延迟max{T_cl-T_lifeB,0}的时间向节点B发送TR-DATA数据包，采用Bpsk调制方式，然后进入步骤6，节点A的发射功率p₁由式(1)计算得到；

其中，p₁为节点A发射功率，单位为dBm，r₁为节点B接收信干比门限，单位为dB，SINR₁为节点B接收信干比，单位为dB，

其中P_Sig为节点A信号发射功率,

P为所发射的信号数据序列的功率；L为发送信号二进制数据字符序列长度，h_ij为节点i与节点j之间的信道冲击响应；

g_ij为将h_ij做时反处理后节点i与节点j之间的信道冲击响应，

k＝1,2,...,L；P_ISI为链路链路间干扰，

D为上/下采样因子，取值为≥1的任意正整数，l为离散冲击响应序列的序列号，σ²为噪声；依据节点B接收端的SINR门限r₁，根据(1)求取接收节点B达到信干比门限前提下节点A所需要的最小发射功率p₁；

步骤5：节点A延迟max{T_cl-T_lifeB,0}的时间向节点B发送TR-DATA数据包，采用Bpsk调制方式，节点A的发送功率p₂由式(2)计算：

subject to SINR₂≥r₂

其中，p₂为节点A发射功率，单位为dBm，r₂为节点B接收信干比门限，单位为dB，SINR₂为节点B接收信干比(dB)，

g_AB(-t)为时反处理节点A和节点B之间的信道冲击响应；g_AD(t)为节点A和节点B之间的信道冲击响应；P_ILID为非目标接受节点可容忍最大干扰；

求解式(2)，若式(2)有解，则节点A选取式(2)所求发射功率p₂向节点B发送TR-DATA包，然后进入步骤6；若式(2)无解，则等待链路时变周期T后返回步骤2；

步骤6：节点B判断是否成功收到节点A发送的TR-DATA包：

i)如果节点B接收并解调得到完整的A发送的TR-DATA数据包，利用信道的互易性，节点B到节点A的真实信道h_AB(t)仍估计为g_AB(t)，然后将需要回复的ACK信号x_ACK(t)与时间反转后的g_AB(t)进行卷积成为确认包信号(TR-ACK)，并立即向节点A发送TR-ACK包，随后进入空闲状态，并进入步骤7；

ii)如果节点B没有接收并解调得到完整的A发送的TR-DATA数据包，则直接进入步骤7；

步骤7：节点A判断在T_th时间内是否接收到来自节点B的TR-ACK包：

i)如果节点A收到来自节点B的TR-ACK包，则进入步骤8；

ii)如果节点A未收到来自节点B的TR-ACK包，判断重传TR-DATA包的次数是否大于N_max；判断为是，则等待一个链路时变周期T返回步骤2，判断为否，则等待一个链路时变周期T返回步骤4；

步骤8：数据接入的过程结束，任务完成。

本发明的有益效果在于：

1、采取适用于分布式水声网络MAC层，节点间数据传输过程中的多址接入，避免了传输冲突，大大提高了一次传输成功的概率和信道利用率，降低了组网能耗；

2、通过主动TR空时聚焦性，利用水声信道的空变特性，将劣势转化为优势，削弱水声信道的广播特性，起到了有效隔离分布式多跳环境下相邻链路间信号干扰的关键作用；

3、功率控制方法不仅节约了发射功率，而且大大减少了冲突发生的概率；

本发明的方法具有良好的传输隐蔽性与保密性，提高网络吞吐量，降低系统时延，节省了能量。

附图说明

图1是本发明的四节点网络拓扑图。

图2是本发明基于主动时间反转的水声并行传输系统方案图。

图3是本发明基于E-TRMAC协议流程图。

图4是本发明基于E-TRMAC的握手交互过程图。

图5是本发明E-TRMAC协议时延长与TRMAC协议对比图。

图6是本发明E-TRMAC协议吞吐量长与TRMAC协议对比图。

图7是本发明E-TRMAC协议丢包率长与TRMAC协议对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明变水声环境存在的多径效应劣势为优势，通过跨层设计研究有效抑制链路间干扰的基于时间反转的水声网络多址接入技术，有效延长网络寿命，突破结合功率控制方法以及面向链路间干扰的时间反转水声网络多址接入技术，解决复杂恶劣海洋信道下带宽与能量双受限的分布式多跳水声网络，存在的数据包传输碰撞及其带来的重传，导致信道利用率低、时延长与能耗大的问题。

时间反转(TR，Time Reversal)处理基于传输互易性与时反不变性原理，能够利用复杂多径信道的空变特性实现接收的多径信号在时间上的压缩和空间上的聚焦。一方面，主动TR的时间聚焦性使目标节点处各多径信号同时同相位叠加，实现了多径分集，有效抵消码间干扰的同时也提高了信噪比；另一方面，主动TR的空间聚焦性使得只有目标节点处能收到能量强且时间压缩的信号，空间上其他位置的接收到的信号能量非常小，大大降低信号在非目标节点处的能量污染，进而达到抑制非期望用户干扰的目的。水声环境下TR能够利用海洋自身完成对信道冲激响应的空时匹配滤波。水声信道的空变特性(如图1所示)使得网络中不同链路间信道的互相关性变弱，利用主动TR的空时聚焦性削弱水声信道的广播特性，有效减小信道接入过程中并行链路间的传输干扰提高空间复用度。

假设分布式多跳水声网络链路间信道保持弱相关性，以如图1所示的四节点水声网络为模型，在物理层建立如图2所示基于主动TR的水声通信系统，通过在发射机和接收机分别引用上采样和下采样方法对链路间干扰进行抑制，并用功率控制方法分配发射功率进行数据包传输，为本发明提出的如图3所示的面向链路间干扰抑制的时反水声网络多址接入协议奠定物理层基础。

图3是本发明的E-TRMAC协议流程图。为当节点A有数据发送至节点B时，执行步骤如下：

步骤1：在一个链路时变周期T内，节点A给节点B发送数据，节点A判断自身是否已经收到来自节点B的探针包(Probe)：

i)如果节点A在链路时变周期T内收到了来自节点B的Probe包，继续判断Probe包的T_lifeB是否小于T_cl，如果T_lifeB＜T_cl，等待T_cl-T_lifeB时间之后执行步骤3；如果T_lifeB≥T_cl，直接进入步骤3；其中，T_lifeB为节点A收到来自节点B的Probe包的时刻与当前时刻的时间差，T_cl为干扰时间，T_cl＝2t_p+t_tr，t_p为数据包传播时间，t_p＝d_m/c，d_m为节点间最大距离，c为水声传播的速度；t_tr为数据包传输时延t_tr＝L/R，L为传输帧的长度，R为数据包传输速率；

ii)如果节点A在链路时变周期T内没有收到来自节点B的Probe包，则进入步骤2；

步骤2：节点A向节点B发送探针请求包(ProbeR)，然后进入等待状态；

i)如果在T_th时间内节点A收到来自节点B的Probe包，利用所接收到的Probe包对节点A到节点B的真实信道进行估计，得到信道冲激响应h_AB(t)；执行步骤3；其中，T_th为重传等待时间，T_th＝2t_p+t_tr+Δ，Δ为保护时间；

ii)如果在T_th时间内节点A未收到来自节点B的Probe包，节点A重新向节点B发送ProbeR包，直到节点A重新向节点B发送ProbeR包的次数超过ProbeR包最大重传次数N_max，则等待链路时变周期T后进入步骤3；

步骤3：节点A首先将需要发送的信息序列s(t)与时间反转后的g_AB(t)进行卷积，则时间反转处理后的数据包(TR-DATA)为

然后进行判断；

i)如果在T_cl内节点A未收到非目标接收节点D发送的Probe包，则进入步骤4；

ii)如果在T_cl内节点A收到非目标接收节点D发送的Probe包，则进入步骤5；

步骤4：节点A延迟max{T_cl-T_lifeB,0}的时间向节点B发送TR-DATA数据包，采用Bpsk调制方式，然后进入步骤6，节点A的发射功率p₁由式(1)计算得到；

其中，p₁为节点A发射功率，单位为dBm，r₁为节点B接收信干比门限，单位为dB，SINR₁为节点B接收信干比，单位为dB，

其中P_Sig为节点A信号发射功率,

P为所发射的信号数据序列的功率；L为发送信号二进制数据字符序列长度，h_ij为节点i与节点j之间的信道冲击响应；

g_ij为将h_ij做时反处理后节点i与节点j之间的信道冲击响应，

k＝1,2,...,L；P_ISI为链路链路间干扰，

D为上/下采样因子，取值为≥1的任意正整数，l为离散冲击响应序列的序列号，σ²为噪声；依据节点B接收端的SINR门限r₁，根据(1)求取接收节点B达到信干比门限前提下节点A所需要的最小发射功率p₁；

步骤5：节点A延迟max{T_cl-T_lifeB,0}的时间向节点B发送TR-DATA数据包，采用Bpsk调制方式，节点A的发送功率p₂由式(2)计算：

subject to SINR₂≥r₂

其中，p₂为节点A发射功率，单位为dBm，r₂为节点B接收信干比门限，单位为dB，SINR₂为节点B接收信干比(dB)，

g_AB(-t)为时反处理节点A和节点B之间的信道冲击响应；g_AD(t)为节点A和节点B之间的信道冲击响应；P_ILID为非目标接受节点可容忍最大干扰；

求解式(2)，若式(2)有解，则节点A选取式(2)所求发射功率p₂向节点B发送TR-DATA包，然后进入步骤6；若式(2)无解，则等待链路时变周期T后返回步骤2；

步骤6：节点B判断是否成功收到节点A发送的TR-DATA包：

i)如果节点B接收并解调得到完整的A发送的TR-DATA数据包，利用信道的互易性，节点B到节点A的真实信道h_AB(t)仍估计为g_AB(t)，然后将需要回复的ACK信号x_ACK(t)与时间反转后的g_AB(t)进行卷积成为确认包信号(TR-ACK)，并立即向节点A发送TR-ACK包，随后进入空闲状态，并进入步骤7；

ii)如果节点B没有接收并解调得到完整的A发送的TR-DATA数据包，则直接进入步骤7；

步骤7：节点A判断在T_th时间内是否接收到来自节点B的TR-ACK包：

i)如果节点A收到来自节点B的TR-ACK包，则进入步骤8；

ii)如果节点A未收到来自节点B的TR-ACK包，判断重传TR-DATA包的次数是否大于N_max；判断为是，则等待一个链路时变周期T返回步骤2，判断为否，则等待一个链路时变周期T返回步骤4；

步骤8：数据接入的过程结束，任务完成。

图4为本发明基于E-TRMAC的握手交互过程：发射节点A在接收到接收节点B的Probe包后，在发送TR-DATA包前未收到接收节点D的Probe包，则发射节点A的TR-DATA包的发射功率根据式(1)设置为p1；而发射节点C在接收到接收节点D的Probe包后，在发送TR-DATA包前收到了接收节点B的Probe包，则发射节点C的TR-DATA包的发射功率根据式(2)设置为p2。

图5、图6和图7分别为E-TRMAC协议在包时延、吞吐量和丢包率方面和TRMAC协议对比图，结果表明：E-TRMAC协议在包时延、吞吐量和丢包率方面性能均优于TRMAC协议。

由以上结论可知，本发明方法具有良好的性能，提高网络吞吐量，降低系统时延，节省了能量。

Claims (1)

1.一种面向链路间干扰抑制的时间反转水声网络多址接入方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1：在一个链路时变周期T内，节点A给节点B发送数据，节点A判断自身是否已经收到来自节点B的探针包Probe：

i)如果节点A在链路时变周期T内收到了来自节点B的Probe包，继续判断Probe包的T_lifeB是否小于T_cl，如果T_lifeB＜T_cl，等待T_cl-T_lifeB时间之后执行步骤3；如果T_lifeB≥T_cl，直接进入步骤3；其中，T_lifeB为节点A收到来自节点B的Probe包的时刻与当前时刻的时间差，T_cl为干扰时间，T_cl＝2t_p+t_tr，t_p为数据包传播时间，t_p＝d_m/c，d_m为节点间最大距离，c为水声传播的速度；t_tr为数据包传输时延t_tr＝L/R，L为传输帧的长度，R为数据包传输速率；

ii)如果节点A在链路时变周期T内没有收到来自节点B的Probe包，则进入步骤2；

步骤2：节点A向节点B发送探针请求包ProbeR，然后进入等待状态；

i)如果在T_th时间内节点A收到来自节点B的Probe包，利用所接收到的Probe包对节点A到节点B的真实信道进行估计，得到信道冲激响应h_AB(t)；执行步骤3；其中，T_th为重传等待时间，T_th＝2t_p+t_tr+Δ，Δ为保护时间；

ii)如果在T_th时间内节点A未收到来自节点B的Probe包，节点A重新向节点B发送ProbeR包，直到节点A重新向节点B发送ProbeR包的次数超过ProbeR包最大重传次数N_max，则等待链路时变周期T后进入步骤3；

步骤3：节点A首先将需要发送的信息序列s(t)与时间反转后的g_AB(t)进行卷积，则时间反转处理后的数据包(TR-DATA)为

然后进行判断；

i)如果在T_cl内节点A未收到非目标接收节点D发送的Probe包，则进入步骤4；

ii)如果在T_cl内节点A收到非目标接收节点D发送的Probe包，则进入步骤5；

步骤4：节点A延迟max{T_cl-T_lifeB，0}的时间向节点B发送TR-DATA数据包，采用Bpsk调制方式，然后进入步骤6，节点A的发射功率p₁由式(1)计算得到；

其中，p₁为节点A发射功率，单位为dBm，r₁为节点B接收信干比门限，单位为dB，SINR₁为节点B接收信干比，单位为dB，

其中P_Sig为节点A信号发射功率，

P为所发射的信号数据序列的功率；L为发送信号二进制数据字符序列长度，h_ij为节点i与节点j之间的信道冲击响应；

g_ij为将h_ij做时反处理后节点i与节点j之间的信道冲击响应，

k＝1，2，...，L；P_ISI为链路链路间干扰，

D为上/下采样因子，取值为≥1的任意正整数，l为离散冲击响应序列的序列号，σ²为噪声；依据节点B接收端的SINR门限r₁，根据(1)求取接收节点B达到信干比门限前提下节点A所需要的最小发射功率p₁；

步骤5：节点A延迟max{T_cl-T_lifeB，0}的时间向节点B发送TR-DATA数据包，采用Bpsk调制方式，节点A的发送功率p₂由式(2)计算：

subject to SINR₂≥r₂

其中，p₂为节点A发射功率，单位为dBm，r₂为节点B接收信干比门限，单位为dB，SINR₂为节点B接收信干比(dB)，

g_AB(-t)为时反处理节点A和节点B之间的信道冲击响应；g_AD(t)为节点A和节点B之间的信道冲击响应；P_ILID为非目标接受节点可容忍最大干扰；

求解式(2)，若式(2)有解，则节点A选取式(2)所求发射功率p₂向节点B发送TR-DATA包，然后进入步骤6；若式(2)无解，则等待链路时变周期T后返回步骤2；

步骤6：节点B判断是否成功收到节点A发送的TR-DATA包：

i)如果节点B接收并解调得到完整的A发送的TR-DATA数据包，利用信道的互易性，节点B到节点A的真实信道h_AB(t)仍估计为g_AB(t)，然后将需要回复的ACK信号x_ACK(t)与时间反转后的g_AB(t)进行卷积成为确认包信号(TR-ACK)，并立即向节点A发送TR-ACK包，随后进入空闲状态，并进入步骤7；

ii)如果节点B没有接收并解调得到完整的A发送的TR-DATA数据包，则直接进入步骤7；

步骤7：节点A判断在T_th时间内是否接收到来自节点B的TR-ACK包：

i)如果节点A收到来自节点B的TR-ACK包，则进入步骤8；

ii)如果节点A未收到来自节点B的TR-ACK包，判断重传TR-DATA包的次数是否大于N_max；判断为是，则等待一个链路时变周期T返回步骤2，判断为否，则等待一个链路时变周期T返回步骤4；

步骤8：数据接入的过程结束，任务完成。

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